Kaltverformung

Kaltverformung ist die langsame, irreversible Verformung eines Werkstoffs unter konstanter Spannung bei Raumtemperatur oder mäßig erhöhter Temperatur, ohne dass der Werkstoff seinen Schmelzpunkt erreicht oder sich ihm auch nur nähert. Anders als Kriechen bei hoher Temperatur, das durch Atommigration und Korngrenzengleitung angetrieben wird, entsteht Kaltverformung durch Mechanismen wie Versetzungsbewegung, spannungsinduzierte Phasenumwandlung oder bei Kunststoffen durch Kettenrelaxation. Der Werkstoff verformt sich plastisch über die Zeit, auch wenn die anliegende Spannung deutlich unter der konventionellen Streckgrenze liegt.

Bei Kunststoffen ist Kaltverformung das Hauptproblem. Kunststoffe, Elastomere und Verbundwerkstoffe zeigen alle zeitabhängige Verformungen unter Last bei Raumtemperatur. Eine Polyethylenrohr unter ständigem Innendruck erweitert sich allmählich im Durchmesser; eine Polycarbonatfassung sackt unter dem Eigengewicht über Monate oder Jahre ab; Silikon-Dichtungen werden komprimiert und verlieren ihre Dichtungskraft. Die Verformungsgeschwindigkeit hängt vom Kunststofftyp, der Kristallinität, der Temperatur, der Spannungshöhe und der Feuchte ab. Polyesterharze verformen sich schneller als Epoxide; amorphe Materialien verformen sich stärker als teilkristalline.

Nichteisenmetalle und Legierungen

Leichtschmelzende Metalle und Legierungen erfahren Kaltverformung bei Raumtemperatur. Blei, Zinn und ihre Legierungen sind berüchtigte Beispiele. Eine Lötverbindung aus Bleizinn verformt sich unter mechanischer Vibration oder Temperaturbeanspruchung über die Zeit plastisch. Aluminium-Legierungen, besonders solche in der Luftfahrt, können auch bei bescheidenen Temperaturen kriechend verformen, wenn die Spannung hoch genug ist. Der Effekt wird schlimmer bei höheren Temperaturen, bleibt aber auch bei Raumtemperatur für anfällige Werkstoffe erheblich. Ausgeglühtes Kupfer verformt sich unter ständiger Zugspannung; kaltverfestigtes Kupfer widersteht dem besser.

Kaltverformung wird problematisch, wo Maßhaltigkeit oder strukturelle Integrität gewahrt bleiben müssen. Lagerbuchsen aus Bronze oder Aluminium verschleißen unter Last zu Ellipsen. Präzisions-Endmaße oder Kalibrierblöcke driften über Jahrzehnte aus der Toleranz, wenn die Last konstant ist. Dichtungen verlieren ihre Wirksamkeit, wenn der Werkstoff zusammengepresst wird. In der Elektronik können sich Zinnwhisker über Jahre hinweg bilden und wachsen durch Spannungsabbau in reinen Zinnoberflächen. Werkstoffwahl und Vorspannungsstrategien, wie zum Beispiel aufgebrachte Vorpressung, können das Problem verringern.

Der Begriff "Kalt" ist relativ: er bedeutet einfach, dass der Prozess ohne externe Wärmezufuhr und ohne Annäherung an die Schmelztemperatur abläuft. In der Industrie wird Kaltverformung oft durch Zugkriechversuche unter konstanter Spannung und Raumtemperatur über Tage oder Wochen untersucht, mit regelmäßigen Messwerterfassungen der Maßänderung. Sie ist verschieden von Spannungsrelaxation, bei der die Spannung unter konstanter Dehnung abnimmt. Beide Phänomene spielen eine Rolle in Langzeitanwendungen wie Dichtungen, Dichtgummi, Befestigungselementen und lasttragende Kunststoffbauteilen.